Пневмоторакс - патология, при которой воздух концентрируется в плевральной полости, проникая туда из поврежденных легких или через имеющиеся дефекты в грудной клетке. Это острое состояние угрожает жизни больного, встречается в наше время достаточно часто и требует оказания неотложной медицинской помощи.
Термин «пневмоторакс» дословно означает «воздух в груди». Пневмоторакс — застой воздушных масс и газообразных веществ между слоями плевральной полости. Существуют различные формы заболевания, каждая из которых имеет свои особенности и способы лечения.
Классификация
В зависимости от причинных факторов пневмоторакс подразделяют на:
- Посттравматический - является следствием травматических повреждений грудной клетки.
- Спонтанный - развивается самостоятельно у здоровых людей или имеющих в анамнезе хроническую легочную патологию: абсцесс, гангрену, эмфизему или .
- Ятрогенный или искусственный пневмоторакс – результат лечебных процедур.
Патогенетически болезнь классифицируют на формы:
- Закрытый – наиболее легкая разновидность пневмоторакса, при которой отсутствует сообщение с внешней средой.
- Открытый – характеризуется разгерметизацией дыхательной системы. Воздух поступает в полость плевры на вдохе и удаляется на выдохе, не накапливаясь в организме.
Открытый пневмоторакс
- Клапанный – воздух проникает в плевральную полость через рану и не покидает ее. Он концентрируется между плевральными листками, внутриплевральное давление быстро нарастает. Дальнейшее прогрессирование патологии заканчивается поражением сосудисто-нервных пучков и сдавливанием второго легкого. Клапанный пневмоторакс переходит в напряженный — самый опасный вид патологии, приводящий к смерти больного.
Напряженный пневмоторакс
По локализации пневмоторакс бывает односторонним (лево- или правосторонним) и двусторонним.
По степени спадения легкого:
- Частичный или ограниченный коллапс - легкое спадается на 1/3,
- Субтотальный коллапс - легкое спадается на ½,
- Тотальный коллапс - легкое спадается более, чем на ½ или полностью поджато воздухом.
Если в плевральной полости содержится кроме воздуха кровь, то говорят о гемопневмотораксе, если гной - пиопневмотораксе.
Этиология
Факторами риска спонтанного пневмоторакса являются:
Причины пневмоторакса делят на 2 большие группы:
- Влияние механических факторов – травмы, ранения, неправильно выполненные лечебно-диагностические процедуры, искусственный пневмоторакс.
- Специфическая и неспецифическая легочная патология – туберкулезная инфекция, абсцесс и гангрена легкого, разрыв пищевода.
Первичный спонтанный пневмоторакс возникает после физической нагрузки, резких движений, кашля или в спокойном состоянии, часто во время сна.
Симптоматика
Заболевание начинается внезапно. Сначала появляется одышка, дыхание становится поверхностным и учащенным. Затем развивается болевой синдром : возникает резкая боль в области груди, активизирующаяся при дыхании и движении, отдающая в верхние конечности. Одышка и боль часто сопровождаются приступами сухого кашля.
Кожные покровы становятся бледными, потными и липкими, сердцебиение учащается. По мере накопления в крови углекислоты развивается цианоз - синюшность кожи. Чтобы хоть немного уменьшить боль, пациенты принимают вынужденную позу - полусидя или лежа. Больные ощущают слабость, страх, панику. У них учащается сердцебиение, и понижается кровяное давление. Подвижность грудной клетки с пораженной стороны ограничена и отстает в акте дыхания, а со здоровой усилена. Межреберные промежутки сглажены.
Клиника заболевания у детей практически не отличается от таковой у взрослых, но характеризуется стремительным нарастанием симптомов пневмоторакса и появлением судорог. Они тем тяжелее, чем меньше возраст ребенка.
Осложнения
Прогноз при пневмотораксе благоприятный. Воздух в плевральной полости рассасывается в течение 3-5 недель, и наступает полное выздоровление.
Пневмоторакс часто осложняется развитием экссудативного воспаления плевры с накоплением геморрагического и серозно-фибринозного выпота.
Опасными последствиями пневмоторакса являются: спайки, которые нарушают расправление легкого; кровотечение в полость плевры из пораженного сосуда; гемоторакс; пиоторакс; сепсис; регидное легкое; гнойное расплавление плевры.
Длительно текущий пневмоторакс часто заканчивается замещением легочной ткани соединительной, сморщиванием легкого, потерей эластичности, развитием легочной и сердечной недостаточности, смертью.
Диагностика
Диагностика пневмоторакса основывается на данных, полученных при осмотре и обследовании больного. Перкуторно обнаруживается коробочный или тимпанический звук, распространяющийся до нижних ребер, смещение или расширение границ сердечной тупости. Пальпаторно определяется ослабление или отсутствие голосового дрожания. Дыхание ослаблено или не прослушивается.
Рентгенологическое исследование позволяет обнаружить зону просветления и смещение органов средостения, легочной рисунок отсутствует. Более детальное изображение можно получить с помощью компьютерной томографии. Дополнительными диагностическими методами являются: плевральная пункция с манометрией, видеоторакоскопия, исследование газового состава крови, электрокардиография.
При гемопневмотораксе и пиопневмотораксе проводят диагностическую пункцию для определения клеточного состава и наличия болезнетворных микробов.
Лечение
Пневмоторакс - патологический процесс, представляющий угрозу для жизни пациента. Больным с пневмотораксом показана госпитализация в хирургический стационар. Лечение заболевания следует начинать до приезда бригады скорой помощи. Больному следует помочь - успокоить, ограничить подвижность грудной клетки и обеспечить достаточный доступ кислорода. Врач скорой помощи осматривает пациента, ощупывает грудную клетку, назначает необходимые диагностические исследования.
Дренирование плевральной полости
Если в плевральной полости скапливает большое количество воздуха, ее дренируют с помощью аппарата Боброва или электроаспиратора. Это несложная лечебная процедура, не требующая особой подготовки больного.
Процедуру проводят под местным обезболиванием. Больного усаживают и обкалывают место установки дренажа «Новокаином». Затем вводят троакар, с помощью которого устанавливается дренаж. Его фиксируют к коже и присоединяют к банке Боброва. Если этот способ дренирования становится неэффективным, переходят к активной аспирации. Дренаж подключают к электроотсосу и дренируют до полного расправления легкого, подтвержденного рентгенографией.
Хирургическое лечение
Если активная аспирация не позволяет купировать пневмоторакс или возникают его рецидивы, переходят к хирургическому лечению - проведению торакотомии.
Вскрывают плевральную полость, устраняют причину патологии, а затем ушивают имеющийся дефект в легочной ткани, останавливают кровотечение и послойно зашивают рану, оставляя дренажную трубку.
Показаниями к проведению торакотомии являются:
- Неэффективность дренирования плевральной полости,
- Двусторонний спонтанный пневмоторакс,
- Гемопневмоторакс,
- Рецидивы патологии, вызванные буллезной эмфиземой.
Профилактика
- Своевременная диагностика и лечение заболеваний органов дыхания,
- Регулярное прохождение флюорографического исследования легких,
- Хирургическое удаление источника заболевания,
- Борьба с курением,
- Дыхательная гимнастика на свежем воздухе.
Лицам, имеющим в анамнезе пневмоторакс, следует избегать чрезмерных физических нагрузок, воздержаться в течение месяца от перелетов на самолете, занятий дайвингом, прыжков с парашютом.
Пневмоторакс – это серьезное заболевание, угрожающее жизни человека и требующее оказания медицинская помощь. Чем раньше больной с пневмотораксом обратиться в медицинское учреждение, тем больше у него шансов на выздоровление.
Видео: пневмоторакс, медицинская анимация
Заболевание легких pneumothorax или пневмоторакс характеризуется симптомом скопления в легких газа и воздуха, причинами которого служат болезни органов или их травмы. В зависимости от фактора, вызвавшего болезнь, она делится на первичную, вторичную и искусственную. Симптомами патологии служат боль в груди, затрудненное дыхание. Осложнениями становятся нехватка кислорода, снижение давления, остановка сердца.
Что такое пневмоторакс
Чтобы получить полноценное представление о пневмотораксе, необходимо выяснить структуру плевры, которая состоит из висцеральной оболочки, покрывающей легкое, и париетальной мембраны, покрывающей грудную полость. Щелевидное пространство (плевральная полость) между ними заполнено специальной жидкостью, обеспечивающей дополнительную защиту органов.
Попадание и накопление воздуха в плевральной полости приводит к возникновению опасной для жизни патологии – пневмотораксу, при которой значительно ограничивается дыхание и смещаются сосуды и сердце. В международной классификации болезней заболеванию присвоен код – J 93. В подразделы данной кодификации входят несколько разновидностей патологии.
Причины
В зависимости от причины проникновения воздуха в плевральную полость болезнь классифицируется на первичную и вторичную. Причины первичного спонтанного пневмоторакса характеризуются размытостью и отсутствием конкретики. Можно говорить лишь о группе риска, к которой относятся курящие молодые люди до 30 лет. К дополнительным факторам патологии относятся:
- перепады давления (ныряние, подъем самолета);
- слабость плевры, обусловленная генетикой, в результате чего разрыв может последовать, например, из-за сильного кашля;
- врожденный дефицит альфа-1-антитриспина.
Для вторичного пневмоторакса характерны конкретные патологии, при которых легкие несут значительные деструктивные нагрузки:
- патологии соединительной ткани, синдром Марфана, дерматомиозит, полимиозит, ревматоидный артрит;
- грыжа кишечника;
- патологии легких, при которых соединительная ткань легкого подвергается поражению (туберозный склероз, саркоидоз)
- инфекционные легочные патологии: туберкулез, легочный абсцесс, пневмония.
- онкологические заболевания: саркома, рак легкого;
- патологии дыхательных путей (бронхиальная астма, муковисцидоз).
У новорожденных
Наивысшую опасность пневмоторакс представляет у новорожденных, поэтому важно учитывать причины, которые могут привести к заболеванию. К таковым относятся:
- киста легкого, которая может возникнуть у новорожденного в результате пороков внутриутробного развития;
- генетические патологии легочной области, приводящие к искажению форм эмфизематозно-расширенных альвеол;
- срочная вентиляция легких младенца;
- разрыв абсцесса легкого в результате надрывного плача.
Симптомы
Симптоматика пневмоторакса типична для многих заболеваний, но отличительной особенностью данного заболевания является выраженность всех характерных признаков. То есть, симптомы могут быть сильными или очень сильными, в зависимости от степени коллапса легкого. Признаки заболевания следующие:
- возникшая одышка;
- выпячивание межреберной ткани (особенно при кашле);
- вздутие грудной клетки;
- сильная боль в грудине;
- частое дыхание;
- тахикардия;
- слезотечение;
- чувство обеспокоенности;
- бледность кожных покровов.
Перкуторный звук при пневмотораксе
Ясность при выявлении заболевания может внести методика специального простукивания (перкуссии) пациента, анализ получаемых звуков. При открытой форме пневмоторакса давление внутри плевральной полости идентично с атмосферным, звук получается низким. При закрытом типе давление зачастую выше, теряется громкость. Затруднение при простукивании может внести фактор напряженности грудной клетки, так как в этом случае звук теряет характерные признаки. Больная сторона при простукивании отдается более громким и ясным отзвуком.
Виды
В зависимости от разноплановых параметров классификация разновидности пневмоторакса может быть комплексной. По типу развития патологического процесса заболевание может быть осложненным (кровотечения и прочее) и неосложненным. При поражении одного легкого диагностируется односторонний тип, при двух, по аналогии с предыдущим, двусторонний.
По объему и характеру нахождения воздуха в плевральной области заболевание классифицируется как полное (тотальное заполнение воздухом плевральной полости); пристеночное (ограниченное проникновение воздуха); осумкованное (спайки между плеврой купируют зону проникновения). Существенные различия по характеру связи плевральной полости с окружающей средой:
- Закрытая форма. Попавший объем воздуха незначителен, не растет.
- Открытый тип. Присутствует сообщение с внешней средой, давление внутри полости идентично атмосферному.
- Клапанная форма (самая опасная). Образуются клапаны, через которые воздух накачивается в плевральную полость из легкого или внешней среды.
Диагностика
Врач оценивает жалобы пациента на наличие одышки, резкой боли в груди, поверхностного характера дыхания и ощущения нехватки воздуха. Дополнительно осматриваются кожные покровы, звуки при выдохе, вдохе (аускультация). Для постановки точного диагноза используются лабораторные исследования и методы оценки:
- анализ газов артериальной крови (гипоксемия в 75% случаев);
- размер пневмоторакса определяется прощупыванием и электрокардиограммой (при напряженном типе);
- для небольших размеров поражения применяется компьютерная томография, она же помогает выявить эмфизематозные буллы, кисты и причины вторичного спонтанного течения болезни.
Рентген
Самым распространенным методом диагностики пневмоторакса является рентгенография. Оптимально проводить ее в переднезаднем варианте, ставя больного вертикально. Диагноз ставится на основании визуализации тонкой линии висцеральной плевры, отделенной от грудной клетки менее чем на миллиметр. Гарантией заболевания не являются смещение средостения, а 15% случаев могут сопровождаться появлением плеврального выпота.
Осложнения
Пневмоторакс легких протекает в 50% случаях легко, остальные пациенты сталкиваются с последствиями-осложнениями:
- экссудативный плеврит;
- гемопневмоторакс (попадание крови в плевральную полость);
- эмпиема плевры (пиопневмоторакс);
- ригидность легкого;
- левосторонний или правосторонний коллапс легкого;
- острая дыхательная недостаточность;
- подкожная или медиастинальная эмфизема легких.
Лечение пневмоторакса
Небольшой внезапный гидропневмоторакс проходит самостоятельно, не требуя специфического лечения. Если заболевание отличается обширностью или тяжелым течением, то воздух откачивают с помощью шприца или накладывают на легкое односторонний дренаж. Если трубка для дренирования неэффективна или возникает рецидивирующий спонтанный тип, прибегают к хирургическому лечению.
Основная часть лечения состоит в отсасывании воздуха из плевральной полости и восстановлении отрицательного давления:
- Закрытый пневмоторакс требует применения пункционной аспирации газа из полости в условиях операционной. Если игла не помогла, прибегают к герметичному дренированию по Бюлау, либо созданию системы активной аспирации при помощи электровакуумных приборов.
- Открытый пневмоторакс нуждается в торакотомии и торакоскопии, ревизии органов и устранения повреждений грудной легочной паренхимы. Последствия: полость дренируют и ушивают. Если остались неразорвавшиеся буллы, сегмент или долю легкого удаляют, проводят химический или физический плевродез.
- После проведения лечения больному назначают обезболивающие, диуретики, кислородотерапию и поддерживающую терапию сердца и легких.
Первая помощь
Состояние пневмоторакса является неотложным, поэтому человека срочно госпитализируют. При начале болезни нужно успокоить пациента, обеспечить его достаточным количеством кислорода. Открытое состояние требует наложения окклюзионной повязки, которая будет герметично закрывать дефект грудной стенки. Клапанный пневмоторакс нуждается в проведении пункции плевральной полости для удаления свободного газа с расправлением легочной ткани и устранения смещения органов.
Операция
Если напряженный пневмоторакс характеризуется осложнениями, а дренирование не помогает, проводят операцию под общей анестезией. Ее целями являются герметизация дефекта, краевая резекция ткани и удаление плевры. Результатом становится сращение легких и грудной стенки для предотвращения повторных рецидивов заболевания (эффективность равна 97%). Хирургическое вмешательство выполняется эндоскопом: в груди делают 3-4 маленьких разреза. Операция длится 45 минут, пациента выписывают из стационара через 4 дня.
Прогноз
Если спонтанный пневмоторакс имеет неосложненную форму, то исход в большинстве случаев благоприятен. В противном случае возможны частые рецидивы заболевания, если имеются патологии легких. На скорость восстановления дыхательной функции влияет степень поражения легкого и развитость дыхательной системы. Неблагоприятный прогноз будет при ранах и травмах.
Профилактика
Чтобы воздух в легких нормально функционировал, а пневмоторакс не развивался, существуют специальные профилактические методы:
- своевременно проходить диагностику и лечение заболеваний легких;
- во избежание рецидива и осложненных последствий пациентам нужно ограничивать физические нагрузки, обследоваться на хронические неспецифические заболевания легких, туберкулез;
- предотвращение травм грудной клетки;
- отказ от курения и вредных привычек.
Видео
Закрытая травма грудной клетки: повреждение лёгкого отломками рёбер;
Открытая травма грудной клетки: проникающие ранения;
Ятрогенные повреждения (осложнение после лечебного или диагностического вмешательства): ранение лёгкого при попытке катетеризации подключичной вены, акупунктуре, блокаде межрёберного нерва, плевральной пункции;
Спонтанный пневмоторакс;
Неспецифический пневмоторакс: разрыв булл (очаговая буллезная эмфизема ), кист, прорыв абсцесса лёгкого в плевральную полость (пиопневмоторакс), спонтанный разрыв пищевода;
Туберкулёзный пневмоторакс: разрыв каверны, прорывы казеозных очагов;
Искусственный пневмоторакс накладывают с лечебной целью при лёгких, с диагностической для торакоскопии, для дифференциальной диагностики образований грудной стенки.
Какие виды пневмоторакса выделяют?
По связи с окружающей средой различают:
Закрытый пневмоторакс в плевральную полость попадает какое-то количество газа, которое не нарастает. Сообщение с внешней средой отсутствует, поэтому поступление его прекращается. Считается самым лёгким видом пневмоторакса, поскольку воздух потенциально может самостоятельно постепенно рассосаться из плевральной полости, при этом лёгкое расправляется.
Открытый пневмоторакс наличие отверстия в грудной стенке, свободно сообщающегося с внешней средой, поэтому в плевральной полости создаётся давление, равное атмосферному. При этом лёгкое спадается, поскольку важнейшим условием для расправления лёгкого является отрицательное давление в плевральной полости. Спавшееся лёгкое выключается из дыхания, в нём не происходит газообмен, кровь не обогащается кислородом.
Клапанный («напряженный») пневмоторакс прогрессирующее накопление воздуха в плевральной полости. Возникает в случае образования клапанной структуры, пропускающей воздух в одностороннем направлении, из лёгкого или из окружающей среды в плевральную полость, и препятствующее его выходу обратно. Воздух поступает в момент вдоха, а в момент выдоха, не находя себе выхода, остаётся в плевральной полости. Для клапанного пневмоторакса характерна триада: положительное внутриплевральное давление, приводящее к выключению лёгкого из дыхания, присоединению раздражения нервных окончаний плевры, приводящее к плевропульмональному ; стойкое смещение органов средостения, что нарушает их функцию, прежде всего сдавливая крупные сосуды; острая дыхательная недостаточность.
В зависимости от объема воздуха в плевральной полости и степени спадения легкого различают полный и частичный пневмоторакс.
Двусторонний полный пневмоторакс при неоказании помощи приводит к быстрому летальному исходу из-за критического нарушения дыхательной функции.
Симптомы пневмоторакса
Клиническая картина зависит от механизма возникновения заболевания, степени спадения легкого и причины, вызвавшей его.
Болезнь начинается остро после физического напряжения, приступа кашля или без видимых причин с резкой колющей , отдающей в шею, верхнюю конечность, иногда в верхнюю половину живота, усиливающейся при дыхании, кашле или движениях грудной клетки, затруднения дыхания, сухого . Больной дышит часто и поверхностно, имеется сильная одышка, ощущает «нехватку воздуха». Проявляется бледность или синюшность (цианоз) кожных покровов, в частности лица.
При открытом пневмотораксе больной лежит на стороне повреждения, плотно прижимая рану. При осмотре раны слышен шум присасывания воздуха. Из раны может выделяться пенистая кровь. Движения грудной клетки асимметричны.
Осложнения
Возникают часто (до 50% случаев). К ним относятся: внутриплевральные вследствие надрыва легочной ткани, серозно-фибринозный пневмоплеврит с образованием "ригидного" легкого (образование шварт - тяжей из соединительной ткани, исключающих расправление легкого), эмпиема плевры (гнойный , пиоторакс). При клапанном ("напряженном") пневмотораксе может развиться подкожная эмфизема (скопление небольшого количества воздуха под кожей в подкожно-жировой клетчатке).
У 15 - 50% больных наблюдаются рецидивы пневмоторакса.
Что можете сделать вы?
Первая помощь при пневмотораксе
При подозрении на пневмоторакс следует немедленно вызвать скорую помощь или обратиться к врачу, потому что это экстренная ситуация, особенно если имеет место клапанный пневмоторакс, которая при неоказании необходимой помощи, может привести к летальному исходу.
Если имеет место открытый пневмоторакс, его необходимо превратить в закрытый путём наложения не пропускающей воздух герметичной повязки («окклюзионная повязка») на открытую рану грудной клетки. Например, это можно сделать при помощи клеёнчатого материала или неповреждённой герметичной полиэтиленовой плёнки, вполне подойдет и толстая ватно-марлевая повязка.
Что можете сделать врач?
Ваш доктор сделает тщательный осмотр грудной клетки на предмет возможного ранения, после чего назначит все необходимые исследования, включающие, в первую очередь, рентгенографию органов грудной клетки.
Лечение пневмоторакса включает:
Немедленная госпитализация в хирургическое отделение;
Ликвидация пневмоторакса путём отсасывания воздуха из плевральной полости и восстановления в ней отрицательного давления.
Закрытый пневмоторакс протекает доброкачественно и постепенно рассасывается. Но иногда необходима плевральная пункция для удаления воздуха.
Открытый пневмоторакс требует первоначального перевода в закрытый пневмоторакс (то есть ликвидации сообщения с внешней средой путём герметичного ушивания раны).
Клапанный пневмоторакс требует хирургического вмешательства.
Получение алюмокалиевых квасцов
Алюминий (лат. Aluminium), – в периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный – 0,126 нм, условный радиус иона Al 3+ – 0,057 нм. Энергия ионизации Al – Al + 5,99 эВ.
Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl 4- , AlH 4- , алюмосиликаты), но и 6 (Al 2 O 3 , 3+).
Историческая справка . Название Алюминий происходит от лат. alumen – так еще за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский ученый X. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный АlСl 3 и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый Алюминий. Первый промышленного способ производства Алюминия предложил в 1854 французский химик А.Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида Алюминия и натрия Na 3 AlCl 6 металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, Алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 годы было получено всего 200 т Алюминия. Современный способ получения Алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава разработан в 1886 году одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.
Нахождение в природе
Алюминий – самый распространенный в земной коре металл. На его долю приходится 5,5–6,6 мол. доли% или 8 масс.%. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al 2 O 3 . 2SiO 2 . 2H 2 O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al 2 O 3 . xH 2 O и минералы корунд Al 2 O 3 и криолит AlF 3 . 3NaF.
Получение
В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al 2 O 3 в расплавленнном криолите. Al 2 O 3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al 2 O 3 около 2050 о С, а криолита – 1100 о С. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al 2 O 3 , содержащую около 10 масс.% Al 2 O 3 , которая плавится при 960 о С и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF 3 , CaF 2 и MgF 2 проведение электролиза оказывается возможным при 950 о С.
Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды располагаются сверху: это – алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами.
Al 2 O 3 = Al 3+ + AlO 3 3-
На катоде выделяется жидкий алюминий:
Al 3+ + 3е - = Al
Алюминий собирается на дне печи, откуда периодически выпускается. На аноде выделяется кислород:
4AlO 3 3- – 12е - = 2Al 2 O 3 + 3O 2
Кислород окисляет графит до оксидов углерода. По мере сгорания углерода анод наращивают.
Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.
Физические свойства алюминия . Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки. Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Å. Свойства Алюминий, как и всех металлов, в значит, степени зависят от его чистоты. Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20 °С) 2698,9 кг/м 3 ; t пл 660,24 °С; t кип около 2500 °С; коэффициент термического расширения (от 20° до 100 °С) 23,86·10 -6 ; теплопроводность (при 190 °С) 343 вт/м·К , удельная теплоемкость (при 100 °С) 931,98 дж/кг·К. ; электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50–60 Мн/м 2), твердостью (170 Мн/м 2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м 2 , твердость – до 270 Мн/м 2 , относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м 2 ~ и 0,1 кгс/мм 2). Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии). Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al 2 О 3 , защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.
Химические свойства
При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом – при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.
По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:
Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и H2SO4 на алюминий почти не действуют (на холоду), тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется.
При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты – соли, содержащие алюминий в составе аниона:
Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2
Образующийся гидроксид алюминия реагирует с избытком щелочи, образуя гидроксоалюминат:
Al(OH) 3 + NaOH = Na
Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
Алюминий заметно растворяется в растворах солей, имеющих вследствие их гидролиза кислую или щелочную реакцию, например, в растворе Na 2 CO 3 .
В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.
Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (1676 кДж/моль Al 2 O 3), значительно большим, чем у многих других металлов. В виду этого при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Mn, V, W и др.) в свободном состоянии.
Алюмотермией иногда пользуются для сварки отдельных стальных частей, в часности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь («термит») состоит обычно из тонких порошков алюминия и Fe 3 O 4 . Поджигается она при помощи запала из смеси Al и BaO 2 . Основная реакция идет по уравнению:
8Al + 3Fe 3 O 4 = 4Al 2 O 3 + 9Fe + 3350 кДж
Причем развивается температура около 3000 о С.
Оксид алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую (т. пл. 2050 о С) и нерастворимую в воде массу. Природный Al 2 O 3 (минерал корунд), а также полученный искусственно и затем сильно прокаленный отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние Al 2 O 3 (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.
Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т.д. В мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются Al 2 O 3 , получаемым сплавлением боксита (техническое название – алунд).
Прозрачные окрашеннные кристаллы корунда – красный рубин – примесь хрома – и синий сапфир – примесь титана и железа – драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr 2 O 3 , применяют в качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучок монохроматического излучения.
Ввиду нерастворимости Al 2 O 3 в воде отвечающий этому оксиду гидроксид Al(OH) 3 может быть получен лишь косвенным путем из солей. Получение гидроксида можно представить в виде следующей схемы. При действии щелочей ионами OH – постепенно замещаются в аквокомплексах 3+ молекулы воды:
3+ + OH - = 2+ + H 2 O
2+ + OH - = + + H 2 O
OH - = 0 + H 2 O
Al(OH) 3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные его свойства выражены довольно слабо. В избытке NH 4 OH гидроксид алюминия нерастворим. Одна из форм дегидратированного гидроксида – алюмогель используется в технике в качестве адсорбента.
При взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:
NaOH + Al(OH) 3 = Na
Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизованы в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Al 2 O 3 с оксидами соответствующих металлов). Образуются метаалюминаты, по своему составу производящиеся от метаалюминиевой кислоты HAlO 2 . Большинство из них в воде нерастворимо.
С кислотами Al(OH) 3 образует соли. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы, и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли алюминия и слабых кислот. Вследствие гидролиза сульфид, карбонат, цианид и некоторые другие соли алюминия из водных растворов получить не удается.
В водной среде анион Al 3+ непосредственно окружен шестью молекулами воды. Такой гидратированный ион несколько диссоциирован по схеме:
3+ + H 2 O = 2+ + OH 3 +
Константа его диссоциации равна 1 . 10 -5 , т.е. он является слабой кислотой (близкой по силе к уксусной). Октаэдрическое окружение Al 3+ шестью молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах ряда солей алюминия.
Алюмосиликаты можно рассматривать как силикаты, в которых часть кремниекислородных тетраэдров SiO 4 4 – заменена на алюмокислородные тетраэдры AlO 4 5- Из алюмосиликатов наиболее распространены полевые шпаты, на долю которых приходится более половины массы земной коры. Главные их представители – минералы
ортоклаз K 2 Al 2 Si 6 O 16 или K 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2
альбит Na 2 Al 2 Si 6 O 16 или Na 2 O . Al 2 O 3 . 6SiO 2
анортит CaAl 2 Si 2 O 8 или CaO . Al 2 O 3 . 2SiO 2
Очень распространены минералы группы слюд, например мусковит Kal 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2 . Большое практическое значение имеет минерал нефелин (Na, K) 2 , который используется для получения глинозема содовых продуктов и цемента. Это производство складывается из следующих операций: a) нефелин и известняк спекают в трубчатых печах при 1200 о С:
(Na, K) 2 + 2CaCO 3 = 2CaSiO 3 + NaAlO 2 + KAlO 2 + 2CO 2
б) образовавшуюся массу выщелачивают водой – образуется раствор алюминатов натрия и калия и шлам CaSiO 3:
NaAlO 2 + KAlO 2 + 4H 2 O = Na + K
в) через раствор алюминатов пропускают образовавшийся при спекании CO 2:
Na + K + 2CO 2 = NaHCO 3 + KHCO 3 + 2Al(OH) 3
г) нагреванием Al(OH) 3 получают глинозем:
2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O
д) выпариванием маточного раствора выделяют соду и потаж, а ранее полученный шлам идет на производство цемента.
При производстве 1 т Al 2 O 3 получают 1 т содопродуктов и 7.5 т цемента.
Некоторые алюмосиликаты обладают рыхлой структурой и способны к ионному обмену. Такие силикаты – природные и особенно искусственные – применяются для водоумягчения. Кроме того, благодаря своей сильно развитой поверхности, они используются в качестве носителей катализаторов, т.е. как материалы, пропитываемые катализатором.
Галогениды алюминия в обычных условиях – бесцветные кристаллические вещества. В ряду галогенидов алюминия AlF 3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Он тугоплавок, мало растворяется в воде, химически неактивен. Основной способ получения AlF 3 основан на действии безводного HF на Al 2 O 3 или Al:
Al 2 O 3 + 6HF = 2AlF 3 + 3H 2 O
Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.
Плотности паров AlCl 3 , AlBr 3 и AlI 3 при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам – Al 2 Hal 6 . Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром. Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галогена, а каждый из центральных атомов галогена – с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального атома галогена одна является донорно-акцепторной, причем алюминий функционирует в качестве акцептора.
С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M 3 и M (где Hal – хлор, бром или иод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl 3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).
Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F 2 , эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na 3 . Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:
2Al(OH) 3 + 12HF + 3Na 2 CO 3 = 2Na 3 + 3CO 2 + 9H 2 O
Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.
Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH 3) n . Разлагается при нагревании выше 105 о С с выделением водорода.
При взаимодействии AlH 3 с основными гидридами в эфирном растворе образуются гидроалюминаты:
LiH + AlH 3 = Li
Гидридоалюминаты – белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они – сильные восстановители. Применяются (в особенности Li) в органическом синтезе.
Сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3 . 18H 2 O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.
Алюмокалиевые квасцы KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.
Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе – уксуснокислую соль) Al(CH 3 COO) 3 , используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.
Алюминий в организме . Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10 -3 до 10 -5 % Алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание Алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения – от 4 мг (мед) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание алюминия достигает 35–40 мг. Известны организмы – концентраторы алюминия, например, плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2–0,8% алюминия. Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).
Геохимия алюминия . Геохимические черты алюминия определяются его большим сродством к кислороду (в минералах алюминий входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений. В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород алюминий входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, слюд и других минералов – алюмосиликатов. В биосфере алюминий – слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, алюминий мигрирует в почвах и водах в виде органоминеральных коллоидных соединений; алюминий адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь алюминия с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы – гидрооксиды алюминия – бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть алюминия входит в состав алюмосиликатов – каолинита, бейделлита и других глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление алюминия в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана). В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, алюминий почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция алюминия в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые алюминием. В местах смещения кислых вод с щелочными – морскими (в устьях рек и других), алюминий осаждается с образованием бокситовых месторождений.
Применение Алюминия . Сочетание физических, механических и химических свойств Алюминия определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с других металлами. В электротехнике Алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например, в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость Алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из Алюминий вдвое меньше медных). Сверхчистый Алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности оксидной пленки Алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый Алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа А III B V , применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый Алюминий используют в производстве разного рода зеркальных отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, Алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.
В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т.д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление Алюминий для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.
В металлургии Алюминий (помимо сплавов на его основе) – одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе Сu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют Алюминий также для раскисления стали перед заливкой ее в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе Алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спеченный алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300 °С большой жаропрочностью.
Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения Алюминия.
Производство и потребление Алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.
Список использованной литературы
1. В.А. Рабинович, З.Я. Хавин «Краткий химический справочник»
2. Л.С. Гузей «Лекции по общей химии»
3. Н.С. Ахметов «Общая и неорганическая химия»
4. Б.В. Некрасов «Учебник общей химии»
5. Н.Л. Глинка «Общая химия»
СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
Содержание:
Марки алюминия
Физические свойства
Коррозионные свойства
Механические свойства
Технологические свойства
Применение
Марки алюминия.
Алюминий характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью, морозостойкостью. Важнейшим свойством алюминия является его малая плотность (примерно 2.70 г/куб.см).Температура плавления алюминия около 660 С.
Физико-химические, механические и технологические свойства алюминия очень сильно зависят от вида и количества примесей,ухудшая большинство свойств чистого металла.Основными естественными примесями в алюминии являются железо и кремний. Железо, например, присутствуя в виде самостоятельной фазы Fe-Al ,снижает электропроводность и коррозионную стойкость, ухудшает пластичность, но несколько повышает прочность алюминия.
В зависимости от степени очистки первичный алюминий разделяют на алюминий высокой и технической чистоты (ГОСТ 11069-2001). К техническому алюминию относятся также марки с маркировкой АД, АД1, АД0, АД00 (ГОСТ 4784-97). Технический алюминий всех марок получают электролизом криолит-глиноземных расплавов. Алюминий высокой чистоты получают дополнительной очисткой технического алюминия. Особенности свойств алюминия высокой и особой чистоты рассмотрены в книгах
1) Металловедение алюминия и его сплавов. Под ред. И.Н.Фридляндер. М. 1971. 2) Механические и технологические свойства металлов. А.В.Бобылев. М. 1980.Ниже в таблице приведена сокращенная информация о большей части марок алюминия. Также указано содержание его основных естественных примесей – кремния и железа.
| Марка | Al , % | Si, % | Fe, % | Применения |
| Алюминий высокой чистоты | ||||
| А995 | 99.995 | 0.0015 | 0.0015 | Химическая аппаратура Фольга для обкладок конденсаторов Специальные цели |
| А98 | 99.98 | 0.006 | 0.006 |
|
| А95 | 99.95 | 0.02 | 0.025 |
|
| Алюминий технической чистоты | ||||
| А8 АД000 | 99.8 | 0.10 0.15 | 0.12 0.15 | Катанка для производства кабельно-проводниковой продукции (из А7Е и А5Е). Сырье для производства алюминиевых сплавов Фольга Прокат (прутки, ленты, листы, проволока, трубы) |
| А7 АД00 | 99.7 | 0.15 | 0.16 0.25 |
|
| А6 | 99.6 | 0.18 | 0.25 |
|
| А5Е | 99.5 | 0.10 | 0.20 |
|
| А5 АД0 | 99.5 | 0.25 0.25 | 0.30 0.40 |
|
| АД1 | 99.3 | 0.30 | 0.30 |
|
| А0 АД | 99.0 | 0.95 В сумме до 1.0 % |
||
Главное практическое различие между техническим и высоокоочищенным алюминием связано с отличиями в коррозионной устойчивости к некоторым средам. Естественно, что чем выше степень очистки алюминия, тем он дороже.
В специальных целях используетсяалюминий высокой чистоты. Для производства алюминиевых сплавов, кабельно-проводниковой продукции и проката используется технический алюминий. Далее речь будет идти о техническом алюминии.
Электропроводность .
Важнейшее свойство алюминия – высокая электропроводность, по которой он уступает только серебру, меди и золоту. Сочетание высокой электропроводности с малой плотностью позволяет алюминию конкурировать смедью в сфере кабельно-проводниковой продукции.
На электропроводность алюминия кроме железа и кремния сильно влияет хром, марганец, титан. Поэтому в алюминии, предназначенном для изготовления проводников тока, регламентируется содержание ещё нескольких примесей. Так, в алюминии марки А5Е при допускаемом содержании железа 0.35%, а кремния0.12%, сумма примесей Cr +V +Ti +Mn не должна превышать всего лишь 0.01%.
Электропроводность зависит от состояния материала. Длительный отжиг при 350 С улучшает проводимость, а нагартовкапроводимость ухудшает.
Величина удельного электрического сопротивления при температуре 20 С составляет Ом*мм 2 /м или мкОм*м :
0.0277 –отожженная проволока из алюминия марки А7Е
0.0280 –отожженная проволока из алюминия марки А5Е
0.0290 – после прессования, без термообработки из алюминия марки АД0
Таким образом удельное электросопротивление проводников из алюминия примерно в 1.5 раза выше электросопротивления медных проводников. Соответственно электропроводность (величина обратная удельному сопротивлению) алюминия составляет 60-65% от электропроводности меди. Электропроводность алюминия растет с уменьшением количества примесей.
Температурный коэффициент электросопротивления алюминия (0.004) приблизительно такой же, как у меди.
ТеплопроводностьТеплопроводность алюминия при 20 С составляет примерно 0.50 кал/см*с*С и возрастает с увеличением чистоты металла. По теплопроводности алюминий уступает только серебру и меди (примерно 0.90), втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Это свойство определяет применение алюминия в радиаторах охлаждения и теплообменниках.
Другие физические свойства .
Алюминий имеет очень высокую удельную теплоемкость (примерно 0.22 кал/г*С). Это значительно больше, чем для большинства металлов (у меди – 0.09). Удельная теплота плавления также очень высока (примерно 93 кал/г). Для сравнения – у меди и железа эта величина составляет примерно 41-49 кал/г.
Отражательная способность алюминия сильно зависит от его чистоты. Для алюминиевой фольги чистотой 99.2% коэфициент отражения белого света равен 75%, а для фольги с содержанием алюминия 99.5% отражаемость составляет уже 84%.
Коррозионные свойства алюминия.Сам по себе алюминий является очень химически активным металлом. С этим связано его применение в алюмотермии и в производстве ВВ. Однако на воздухе алюминий покрывается тонкой (около микрона), пленкой окиси алюминия. Обладая высокой прочностью и химической инертностью, она защищает алюминий от дальнейшего окисления и определяет его высокие антикоррозионные свойства во многих средах.
В алюминии высокой чистоты окисная пленка сплошная и беспористая, имеет очень прочное сцепление с алюминием. Поэтому алюминий высокойи особой чистоты очень стоекк действию неорганических кислот, щелочей, морской воды и воздуха. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей значительно ухудшается и эти места становятся уязвимы для коррозии. Поэтому алюминий технической чистоты имеет меньшую стойкость. Например по отношению к слабой соляной кислоте стойкость рафинированного и технического алюминия различается в 10 раз.
На алюминии (и его сплавах) обычно наблюдается точечная коррозия. Поэтому устойчивость алюминияи его сплавов во многих средах определяется не по изменению веса образцов и не по скорости проникновения коррозии, а по изменению механических свойств.
Основное влияние на коррозионные свойства технического алюминия оказывает содержание железа. Так, скорость коррозиив 5% растворе HCl для разных марок составляет (в ):
| Марка | Содержание Al | Содержание Fe | Скорость коррозии |
| А7 | 99.7 % | < 0.16 % | 0.25 – 1.1 |
| А6 | 99.6% | < 0.25% | 1.2 – 1.6 |
| А0 | 99.0% | < 0.8% | 27 - 31 |
Наличие железа уменьшает стойкость алюминия также к щелочам, но не сказывается на стойкости к серной и азотной кислоте. В целомкоррозионная стойкость технического алюминия в зависимости от чистоты ухудшается в таком порядке: А8 и АД000, А7 и АД00, А6, А5 и АД0, АД1, А0 и АД.
Притемпературе свыше 100С алюминий взаимодействует с хлором. С водородом алюминий не взаимодействует, но хорошо его растворяет, поэтому онявляется основной составляющей газов, присутствующих в алюминии. Вредное влияние на алюминий оказывает водяной пар, диссоциирующий при 500 С, при более низких температурах действие пара незначительно.
Алюминий устойчив в следующих средах :
Промышленная атмосфера
Естественная пресная вода до температур 180 С. Скорость коррозии возрастает при аэрации,
примесях едкого натра, соляной кислоты и соды.
Морская вода
Концентрированная азотная кислота
Кислые соли натрия, магния, аммония, гипосульфит.
Слабые (до 10%) растворы серной кислоты,
100% серная кислота
Слабые растворы фосфорной (до 1%), хромовой (до 10%)
Борная кислота в любых концентрациях
Уксусная, лимонная, винная. яблочная кислота, кислые фруктовые соки, вино
Раствор аммиака
Алюминий неустойчив в таких средах :
Разбавленная азотная кислота
Соляная кислота
Разбавленная серная кислота
Плавиковая и бромистоводородная кислота
Щавелевая, муравьиная кислота
Растворы едких щелочей
Вода, содержащая соли ртути, меди, ионов хлора, разрушающих окисную пленку.
Контактная коррозияВ контакте с большинствомтехнических металлов и сплавов алюминий служит анодом и его коррозия будет увеличиваться.
Механические свойстваМодуль упругости E = 7000-7100 кгс/мм 2 для технического алюминия при 20 С. При повышении чистоты алюминия его величина уменьшается (6700 для А99).
Модуль сдвига G = 2700 кгс/мм 2 .
Основные параметры механических свойств технического алюминия приведены ниже:
Параметр | Ед. изм. | Деформированный | Отожженный |
Предел текучести ? 0.2 | кгс/мм 2 | 8 - 12 | 4 - 8 |
Предел прочности при растяжении ? в | кгс/мм 2 | 13 - 16 | |
Относительное удлинение при разрыве ? | 5 – 10 | 30 – 40 |
|
Относительное сужение при разрыве | 50 - 60 | 70 - 90 |
|
Предел прочности при срезе | кгс/мм 2 | ||
Твердость | НВ | 30 - 35 |
Приведенные показатели очень ориентировочны:
1) Для отожженного и литого алюминия эти значения зависят от марки технического алюминия. Чем больше примесей, тем больше прочность и твердость и ниже пластичность. Например твердость литого алюминия составляет: для А0 – 25НВ, для А5 – 20НВ, а для алюминия высокой чистоты А995 – 15НВ. Предел прочности при растяжении для этих случаев составляет: 8,5; 7.5 и 5 кгс/мм 2 , а относительное удлинение 20; 30 и 45% соответственно.
2) Для деформированного алюминия механические свойства зависят от степени деформации, вида проката и его размеров. Например предел прочности при растяжении составляет не менее 15-16 кгс/мм 2 для проволоки и 8 – 11 кгс/мм 2 для труб.
Однако, в любом случае, технический алюминий это мягкий и непрочный металл. Низкий предел текучести (даже для нагартованного проката он не превышает 12 кгс/мм 2) ограничивает применение алюминия по допустимым нагрузкам.
Алюминий имеет низкий предел ползучести: при 20 С - 5 кгс/мм 2 , а при 200 С - 0.7 кгс/мм 2 . Для сравнения: у меди эти показатели равны 7 и 5 кгс/мм 2 соответственно.
Низкая температура плавления итемпература начала рекристаллизации (для технического алюминия примерно 150 С), низкий предел ползучести ограничивают температурный диапазон эксплуатации алюминия со стороны высоких температур.
Пластичность алюминия не ухудшается при низких температурах, вплоть до гелиевых. При понижении температуры от +20 С до - 269 С, предел прочности возрастает в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого. Предел упругости при этом возрастает в 1.5 раза.
Морозостойкость алюминия позволяет использовать его в криогенных устройствах и конструкциях.
Технологические свойства .
Высокая пластичность алюминия позволяет производить фольгу (толщиной до 0.004 мм),изделия глубокой вытяжкой, использовать его для заклепок.
Алюминий технической чистоты при высоких температурах проявляет хрупкость.
Обрабатываемость резанием очень низкая.
Температура рекристаллизационного отжига 350-400 С, температура отпуска – 150 С.
Свариваемость.
Трудности сварки алюминия обусловлены 1) наличием прочной инертной окисной пленки, 2) высокой теплопроводности.
Тем не менее алюминий считается хорошо свариваемым металлом. Сварной шов имеет прочность основного металла (в отожженном состоянии) и такие же коррозионные свойства. Подробно о сварке алюминия см., например, www. weldingsite . com . ua .
Применение.
Из-за низкой прочности алюминий применяется только для ненагруженных элементов конструкций, когда важна высокая электро- или теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность или свариваемость. Соединение деталей осуществляется сваркой или заклепками. Технический алюминий применяется как для литья, так и для производства проката.
На складе предприятия постоянно имеются листы, проволока и шины из технического алюминия.
(см. соответствующие страницы. сайта). Под заказ поставляются чушки А5-А7.